三种漂浮式风力机调谐质量阻尼器稳定性控制研究_黄致谦.pdf

 振动与冲击 第 38 卷第 21 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol．38 No．21 2019 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51676131; 51176129 收稿日期 2018 －04 －09修改稿收到日期 2018 －07 －26 第一作者 黄致谦 男， 硕士生， 1993 年生 通信作者 李春 男， 教授， 博士生导师， 1963 年生 三种漂浮式风力机调谐质量阻尼器稳定性控制研究 黄致谦，丁勤卫，李春 上海理工大学 能源与动力工程学院， 上海200093 摘 要 漂浮式风力机平稳运行是海上风电场建设的基本要求。为对比调谐质量阻尼器 TMD 对不同漂浮式风 力机稳定性的控制效果， 选取驳船型 Barge 型 、 浮柱型 Spar 型 及半潜型 Semi 型 3 种漂浮式风力机， 在机舱中配置 TMD 进行控制， 研究 3 种漂浮式风力机在风、 浪及流载荷联合作用下的稳定性控制效果。结果表明 无 TMD 控制时， Barge 型漂浮式风力机响应幅度远大于 Spar 型和 Semi 型漂浮式风力机; TMD 控制后， Barge 型漂浮式风力机的响应大幅 度减小， 在平台首摇和塔顶左右方向上， 分别接近 Spar 型和 Semi 型漂浮式风力机; TMD 对不同类型的漂浮式风力机控制 效果不同， Barge 型漂浮式风力机控制的效果最好， 其次是 Spar 型， Semi 型控制效果最差。研究结果可以为漂浮式风力机 的设计和开发提供理论参考。 关键词 漂浮式风力机; 调谐质量阻尼器; 结构控制; 动态响应 中图分类号 TK83文献标志码 ADOI10． 13465/j． cnki． jvs． 2019． 21． 016 TMD’ s control effect on stability of three kinds of floating wind turbine HUANG Zhiqian，DING Qinwei，LI Chun School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China AbstractSteady operation of floating wind turbines is a basic requirement for construction of offshore wind farms． Here，in order to compare control effects of tuned mass dampers TMDs on stability of different floating wind turbines， three kinds of floating wind turbine were chosen including barge type，spar one and semi- submersible one． TMDs were configured in turbines’cabin for control． TMD’ s control effects on stability of three kinds of floating wind turbine under combination action of wind，wave and flow loads were studied． The results showed that without TMD control，barge- type floating wind turbine has a much larger response amplitude than those of spar- type and semi- type ones; with TMD control， barge- type floating wind turbine’ s response is greatly reduced，in plat head yaw direction and tower top left- to- right one，barge- type floating wind turbine’ s responses are close to those of spar- type and semi- type ones，respectively; TMD has different control effects on different types of floating wind turbine，TMD has the best control effect on barge- type floating wind turbine，followed by spar type and semi- type ones; the study results can provide a theoretical reference for design and development of floating wind turbines． Key words floating wind turbine; tuned mass damper TMD ; structure control; dynamic response 海上风能较于陆上风能， 具有湍流强度小、 风速高 及不占用土地资源等优点， 使得海上风电产业不断发 展， 在我国能源产业中占据越来越重要的位置 ［1 ］。可 见未来风电场的发展趋势必然是“由陆地向海洋、 由浅 海到深海、 由固定式基础向漂浮式平台” ［2 ］。由于技术 和成本的限制， 现阶段海上风电场都普遍建设在浅海 区域， 风力机也大多采用固定基础 ［3 ］。对于深海区域 水深超过 60 m ， 从安全和经济性角度分析， 必须要 使用漂浮式平台 ［4 ］。目前， 国内外普遍认可的， 根据漂 浮式平台结构及获取稳定性方式的不同， 主要分为以 下3 类 驳船型结构 Barge 、 浮柱型结构 Spar 以及半 潜型结构 Semisubmersible， Semi ［5 ］。漂浮式平台主要 依靠压舱物的恢复力矩、 锚链拉力以及水线面的面积 矩维持稳定性。 漂浮式风力机在役于海上， 同时受风、 浪及流等复 杂环境载荷的联合作用， 又因其漂浮基础不固定， 导致 其一直处于受力不平衡、 非定常运动状态， 造成了其动 态响应的复杂性 ［6 ］。复杂的动态响应进而影响漂浮式 风力机的正常工作， 降低发电效率， 引发塔架和叶片的 变形， 甚至会导致塔架屈曲、 平台倾覆。因此如何高 ChaoXing 效、 经济地保证漂浮式风力机在复杂海洋环境下安全 稳定地工作， 成为海上风电产业建设中亟待解决的一 个重要问题 ［7 ］。为此， 许多学者对漂浮式风力机的稳 定性控制进行了研究。有学者提出通过加强漂浮式风 力机主体结构 平台、 塔架等 的强度， 如提高材料强度 等级、 加大主体结构的截面尺寸等， 但这将导致漂浮式 风力机的成本大幅度增加， 也存在许多技术难题 ［8 ］。 Namik 等 ［9 ］采用独立变桨技术， 通过改变叶片桨距角 控制漂浮式风力机的稳定性。Lackner［10 ］研究通过改 变电机扭矩大小来达到减小漂浮式风力机的运动及载 荷的目的。上述两种方法基于现有风力机控制系统， 虽能对漂浮式风力机起到一定的控制作用， 但仍存在 叶片、 塔架根部疲劳载荷过大等致命问题。 随着对漂浮式风力机稳定性研究的不断深入， 结 构被动控制 调频质量阻尼器、 调频液体阻尼器等 开 始应用于漂浮式风力机 ［11 ］。赵斌等［12 ］建立风力机调 频质量阻尼器 Tuned Mass Damper， TMD 控制模型， 并 对模型进行振动台试验， 通过比较风力机的位移和加 速度时程曲线， 发现 TMD 对风力机稳定性具有良好的 控制作用。Luo 等 ［13 ］将风力机结构简化为质量块， 使 用调频液体阻尼器 Tuned Liquid Column Damper， TLCD 对风力机的纵荡进行稳定性控制， 但因其模型 过于简化且只能考虑单自由度的振动， 无法对风力机 塔架及平台纵摇、 垂荡等主体结构的主要运动形式进 行研究。Matthew 等 ［14 ］为研究 TMD 对漂浮式风力机稳 定性的作用， 使用 FAST 软件进行数值模拟， 但其未考 虑外部载荷的作用， 仅仅研究了漂浮式风力机的自由 振动分析， 结果有较大局限性。由此可见， 虽在漂浮式 风力机结构被动控制方面取得了诸多成果， 但多数研 究做了适当的简化， 或只考虑单一漂浮式风力机的控 制效果。不同漂浮式风力机因其平台结构的不同， 动 态响应也千差万别， 控制效果也存在巨大的差异。 因此， 本文选取目前具有代表性的 3 种漂浮式风 力机， 在机舱中配置 TMD 进行控制， 研究 3 种漂浮式 风力机在风、 浪及流载荷联合作用下的稳定性控制效 果， 以期为漂浮式风力机的设计和开发提供理论参考。 1TMD 控制时的漂浮式风力机动力学模型 1． 1环境载荷 环境载荷一般为由直接或间接的环境作用所引起 的载荷。漂浮式风力机在役于海上， 而海洋环境载荷 复杂多变， 包含风、 浪、 流、 冰及地震等多种因素 ［15 ］ ， 为 简化计算又不失一般性， 本文重点考虑风、 浪和流三种 主要环境载荷。 1． 1． 1风载荷 漂浮式风力机的风载荷主要为风轮和塔架所受气 动推力对风力机产生的力矩， 如式 1 所示 Fw Fblade Ftower 1 式中 Fblade为风力机风轮气动推力; Ftower为塔架气动 推力。 计算风轮气动载荷时是使用了叶素动量理论结合 动态入流方法。采用平均参数、 侧向参数及垂直参数 描述整个风轮平面上的诱导速度变化规律， 其可反映 风速变化时， 风轮平面上诱导速度的不均匀分布， 再结 合叶素动量理论求解气动载荷。 风轮平面的诱导速度不均匀分布的一阶傅里叶级 数表达式为 λ r， ψ v0 vsμsin ψ vcμcos ψ 2 式中 v0， vs和 vc分别为诱导速度的平均分布、 水平分 布及垂直分布; μ 为半径比; ψ 为偏航角。 气动力和诱导速度之间的关系为 ［ M］ vo vs v { } c ［ V］ ［ L］ －1 vo vs v { } c CT CMy C { } Mz 3 式中 ［ M］ 为风轮动态入流质量矩阵， 反映了入流动态 特性; ［ V］ 为质量流量参数矩阵; ［ L］ 为入流增益矩阵; CT， CMy， CMz分别为风轮推力系数、 偏航系数和俯仰系 数。通过求解微分方程 3 得到风轮平面诱导速度场， 结合叶素动量理论求解风轮气动力。 风力机风轮气动推力 Fblade可基于叶素动量理论结 合动态入流理论得出表达式 Fblade 4πρav2∫ Rb 0 a 1 － a rdr 4 塔架气动推力 Ftower表达式为［16 ］ Ftower 1 2 ρaCtDv2h t 5 式中 v 为风轮高度前的来流风速; ρa为空气密度; Rb 为风轮半径; a 为风轮处的轴向诱导因子; Ct为阻力系 数; D 为塔架截面的直径; vh t 为海平面上塔架高度为 h 的瞬时风速。 1． 1． 2浪载荷 漂浮式风力机所受波浪载荷 Fx的表达式为 Fx∫ 1 4 ρπD2 Cm 1 v x 1 2 Cd ρDv xv x dz 6 漂浮式风力机受波浪载荷 Fx作用产生的波浪力 矩 Mw为 Mw∫FxRdr 7 式中 ρ 为海水密度; D 为浮体的直径; Cm为附加质量 系数; Cd为阻力系数; vx为中点轴线处流体瞬时速度水 平分量。 1． 1． 3流载荷 在工程设计应用中， 通常将海流视为稳定流动， 并 311第 21 期黄致谦等 三种漂浮式风力机调谐质量阻尼器稳定性控制研究 ChaoXing 认为其对漂浮式风力机的作用力为拖曳力， 单位高度 拖曳力的表达式为 fc 1 2 ρC dAvc 8 则作用在整个漂浮式风力机上的作用力为 Fc∫ h 0 fcdz 9 式中 ρ 为海水密度; Cd为阻力系数; A 为结构在与流速 垂直平面上的投影面积; vc为海流流速。 1． 2惯性力载荷和重力载荷 作用在风轮上的载荷除气动载荷外， 还有惯性力 载荷和重力载荷等。在风轮坐标系中， 重力拉力、 重力 剪力及重力弯矩分别为 Fx- bg∫ R r mgdrsin ωtcos δ 10 Fy- bg －∫ R r mgdrsin ωtcos δ 11 Mz- bg －∫ R r r1－ r mgdr1sin ωtcos δ 12 式中 R 为风轮半径; r 为叶根距叶轮中心的距离; m 为 叶片单位长度质量; ω 为叶片旋转角; δ 为叶片安装角; g 为重力加速度。 在轮毂坐标系中， 离心力为 Fx- rg∫ R r mω 2r 1dr1cos ωtcos δ 13 Fy- rg∫ R r mω 2r 1dr1sin ωtcos δ 14 离心力弯矩及离心力扭矩分别为 My- rg ω2∫ R r ermr1dr1cos ωtcos δ 15 Mx- rg ω2∫ R r ermr1dr1sin ωtcos δ 16 式中， er为叶根坐标系与轮毂坐标系原点之间的距离。 1． 3TMD 耦合动力学模型 在漂浮式风力机机舱中配置了 TMD 后， 漂浮式风 力机将在原有的基础上耦合新的自由度， 其耦合模型 中增加了 TMD 相关的驱动力和惯性力。故漂浮式风 力机和 TMD 的运动方程为 Ipφ p kt φ t － φ p dt φ t － φ p － dpφ p － kpφp－ mpgRpφp Mw Fc 17 Itφ t mtgRtφt－ kt φ t － φ p － kTMDRTMD RTMDφt－ xTMD － dTMDRTMD RTMDφ t － x TMD － mTMDg RTMDφt－ xTMD － dt φ t － φ p FW 18 mTMDx TMD kTMD RTMDφt－ xTMD dTMD RTMDφ t － x TMD mTMD gφ t 19 式中， Ip， It分别为平台和塔架的转动惯量; φp ， φ t分别 为平台和塔架偏离垂直面的角位移; kp， dp分别为系泊 的刚度和阻尼系数; kt， dt分别为塔架的刚度和阻尼系 数; RTMD， Rt及 Rp分别为 TMD 结构， 塔架及平台的质 心到铰接处的距离; FW， Mw及 Fc为上文描述的风、 浪 及流载荷。 2漂浮式风力机模型、 TMD 设计及环境参数 2． 1漂浮式风力机模型 本文研究对象为目前具有代表性的 3 中漂浮式风 力机 平 台 ITI Barge、OC3- Hywind Spar 以 及 OC4- DeepCwind Semi， 三种平台均搭载相同的 NREL 5MW 风力机。风力机 ［17 ］及三种平台的主要参数如表 1 及表 2 所示。三种平台及风力机构建的整体风力机模型如 图 1 所示， 其中风力机仰角为 5， 锥角为 2． 5， 无偏航， 采用变桨控制策略， 叶片为柔性叶片。 表 1风力机参数 Tab． 1Parameters of the wind turbine 名称参数 风轮直径/m 126 风轮转速/ rmin －1 12． 1 叶尖线速度/ ms －1 80 塔架直径/m 3 塔架高度/m 90 风轮质量/kg 1． 1 105 机舱质量/kg 2． 4 105 塔架质量/kg 3． 475 105 叶片截面翼型 DU21， DU25， DU30 DU35， DU40， NACA64 表 2平台参数 Tab． 2Parameters of the plats 平台ITI Barge OC3- Hywind Spar OC4- Deep Cwind Semi 直径 m /长 宽 m m 40 407． 841 吃水/m 412014 排水量/m36 103 8． 029 1042． 029 104 平台总质量/kg5． 452 106 7． 466 1063． 852 106 质心/m 0． 281 889． 928． 658 8 横摇惯量/ kgm37． 269 1084． 229 1092． 562 109 纵摇惯量/ kgm37． 269 1084． 229 1092． 562 109 首摇惯量/ kgm31． 454 1091． 642 1084． 243 109 系泊缆数目834 导缆孔/锚深度 /m4/20070/20014/200 缆索长度/m564． 5 563563． 5 缆索直径/m0． 080 9 0． 090． 076 6 缆索质量/ kgm －1 130． 477． 71113． 35 缆索拉伸刚度/N5． 89 108 3． 842 1087． 536 108 2． 2TMD 设计 TMD 由固体质量块、 弹簧减振器、 阻尼器以及支撑 系统组成。 可将其固有频率调谐至接近被减振结构的 411振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing a Barge b Spar c Semi 图 1漂浮式风力机模型 Fig． 1Model of floating wind turbines 固有频率或外部激励频率， 当主体结构受外部激励作 用产生振动时， TMD 系统会产生与主体结构振动方向 相反的惯性力， 同时通过阻尼系统吸收主体结构的振 动能量， 并将能量耗散， 从而达到控制主体结构稳定性 的目的 ［18- 19 ］。为提高控制效果， 可将 TMD 安装在漂浮 式风力机机舱处， 其模型示意图及控制原理如图 2 所 示。其中 H s 为主体结构的传递函数， G s 为 TMD 结构的传递函数， f t 为主体结构的初动态响应， p t a TMD 模型示意图 b TMD 模型原理图 图 2漂浮式风力机 TMD 模型及其控制原理 Fig． 2Floating plat of wind turbine TMD model and control principle 为 TMD 结构的动态响应， x t 为 TMD 控制后主体结构 的运动响应。 可通过调节 TMD 质量 m ， TMD 刚度 k 以及 TMD 阻尼 d 等参数进行稳定性控制。在传统高耸建 筑结构中， TMD 的质量占主体结构质量的百分比， 即质 量比为 0． 25 ～ 2。漂浮式风力机相较于一般传统 高耸建筑， 质量更小且柔性更大， 故质量比可取范围内 的小值， 本文的质量比取值为 0． 5。TMD 刚度及阻 尼可由下式计算 k 4π2f 2 dm 20 d 4πfdξdm 21 式中 fd为 TMD 自振频率; m 为 TMD 质量; ξ d为阻 尼比。 根据上述公式， 三种漂浮式风力机的 TMD 参数如 表 3 所示。 表 3 TMD 参数 Tab． 3Parameters of TMD 平台BargeSparSemi m/kg28 74538 81620 744 k/ Nm －1 7 26215 3236 633 d/ Nsm －1 10 11417 0728 211 2． 3环境参数 为研究 TMD 对漂浮式风力机稳定性的控制效果， 有无 TMD 控制时的工况都取相同的极限环境参数， 如 表 4 所示， 其中风载荷参数为使用 Trubsim 生成的 Kaimal 风谱， 为全域湍流风， 同时基于工程上常用的简 化指数风廓线公式 乘幂率 刻画风剪切。设定时历平 均风速为 18 m/s， 风力机在处于高于额定风速， 小于切 出风速之间运行， 采用变桨控制策略。低于额定风速 时， 风力机无需变桨， 浆距角为 0; 随着风速增大， 风轮 转速逐渐增大， 超过额定风速时， 风轮转速不变， 风力 机通过动态变桨策略以维持功率输出不变。 表 4环境参数 Tab． 4Parameters of the environment 有义波高/m波浪周期/s 海流速度/ ms －1 时历平均风速/ ms －1 7． 412． 41． 618 3数值计算结果与分析 3． 1无 TMD 控制时三种漂浮式风力机动态响应对比 分析 漂浮式风力机受复杂的环境载荷作用， 其最直观 的动态响应为平动位移和转动偏转角。其中塔顶位移 和平台偏转角对结构疲劳载荷和整机发电效率相关性 很大。考虑篇幅原因， 现给出三种漂浮式风力机在复 杂风、 浪和流载荷作用下， 塔顶左右位移和平台首摇偏 转角对比图， 如图 3 所示。 511第 21 期黄致谦等 三种漂浮式风力机调谐质量阻尼器稳定性控制研究 ChaoXing a 平台首摇角 b 塔顶左右位移 图 3三种漂浮式风力机动态响应时域图 Fig． 3Time history of dynamic response of three types floating wind turbines 如图 3 所示， 三种漂浮式风力机在运行一段时间 后， 动态响应变化均不相同。由图3 a 可知， 在平台首 摇方向上， Barge 平台响应幅度远大于 Spar 平台和 Semi 平台; Spar 平台与 Semi 平台响应幅度虽相差不大， 但 Spar 平台响应幅度还是略大于 Semi 平台。由图 3 b 可知， 在塔顶左右位移方向上， Barge 平台响应幅度同 样远大于其他两平台， 与平台首摇方向不同的是， Semi 平台动态响应大于 Spar 平台。Barge 平台动态响应远 大于其他平台的原因是其水线面面积较大及吃水浅， 导致其对波浪的砰击作用更为敏感。 3． 2TMD 控制时各漂浮式风力机动态响应对比分析 3． 2． 1Barge 型漂浮式风力机动态响应 Barge 型漂浮式风力机在 TMD 控制下的动态响应 如图 4 所示， 其中图 4 a 为平台首摇角， 图 4 b 为塔 顶左右位移。 如图 4 所示， Barge 型漂浮式风力机在 TMD 控制 下， 动态响应幅度都有所降低。无控制情况下， 平台首 摇角在 －4 ～4之间较规律波动; TMD 控制后， 平台首 摇角的波动降低到 －2． 6 ～ 1． 2。塔顶左右位移同样 得到有效控制， 其最大波动范围由 －0． 36 ～0． 22 m 降 低到 －0． 21 ～0． 12 m， 减小幅度十分明显。无控制时， Barge 型漂浮式风力机的平台首摇角和塔顶左右位移 标准差分别为 1． 82 和 0． 12， TMD 控制后， 两者的标准 差分别为 0． 84 和 0． 05。计算可知， 平台首摇角和塔顶 左右 位 移 的 稳 定 性 分 别 显 著 提 升 了 53． 60 和 60． 30。 波浪谱密度函数， 或称能量谱， 可用于表示在不规 则波中波浪对平台作用的能量相对于频率的分布。响 应谱是波浪密度函数 能量谱 与平台传递函数平方的 积。因此， 为了更加深入探究 TMD 对漂浮式风力机的 控制效果， 通过上述平台首摇角和塔顶左右位移时域 图变换得出两者相对应的响应谱， 如图 5 所示。其中 横坐标为频率， 纵坐标为响应幅值。 a 平台首摇角 b 塔顶左右位移 图 4 Barge 型漂浮式风力机动态响应时域图 Fig． 4Time history of dynamic response of barge floating wind turbine a 平台首摇角 b 塔顶左右位移 图 5 Barge 型漂浮式风力机响应谱 Fig． 5Response spectrum of barge floating wind turbine 由图 5 可知， 在平台首摇方向上， 有无 TMD 控制 两种情况的响应都集中在 0． 04 ～0． 21 rad/s， 且都存在 双峰; 不同的是， 无控制时， 呈现出高低不同的双峰， 而 TMD 控制时， 双峰更加均匀。在塔顶左右位移方向上， 两种情况的响应集中范围相同， 都在 0． 42 ～0． 63 rad/s 之间， 呈现波频响应。TMD 控制后， Barge 型漂浮式风 611振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 力机的平台首摇角和塔顶左右位移响应谱峰值分别为 55． 443 和 0． 293， 各自都远小于无控制时的平台首摇 角 6． 602 和塔顶左右位移响应谱峰值 0． 032 ， 体现 了 TMD 控制后， 漂浮式风力机更加优越的波频性能。 综上所述， TMD 控制对 Barge 型漂浮式风力机的 平台首摇角和塔顶左右位移都能起到良好的控制 作用。 3． 2． 2Spar 型漂浮式风力机动态响应 TMD 控制时， Spar 型漂浮式风力机的动态响应如 图 6 所示， 其中图 6 a 为平台首摇角， 图 6 b 为塔顶 左右位移。 a 平台首摇角 b 塔顶左右位移 图 6 Spar 型漂浮式风力机动态响应时域图 Fig． 6Time history of dynamic response of spar floating wind turbine 如图 6 所示， 在平台首摇方向上， TMD 的控制作用 并不是很明显， 响应幅度只减小了一点; 有无 TMD 控 制时， 平台的首摇角标准差分别为 0． 250 和 0． 277， 即 其稳定性仅提升了 9． 75。在塔顶左右位移方向上， TMD 的控制效果比在平台首摇方向上的控制效果好， 响应幅度有明显降低; 有无 TMD 控制时， 塔顶左右位 移标准差分别为 0． 004 7 和 0． 003 29， 其稳定性提升了 29． 79。 图 7 为平台首摇角和塔顶左右位移的响应谱。 由图 7 可知， 在平台首摇方向上， TMD 控制时， 响 应谱峰值相较于无控制时有所下降， 但下降幅度很小， 其余部分两者的响应谱曲线趋于重合， 且响应集中范 围相同， 都在0． 44 ～0． 92 rad/s 范围内。在塔顶左右位 移方向上， 有无 TMD 控制的响应集中范围相同， 在低 频率 0． 52 ～1． 11 rad/s 和高频率 2． 95 ～3． 83 rad/s 都有分布。且 TMD 控制时， 高频率区域的响应谱峰值 明显低于无控制时的响应谱峰值。 a 平台首摇角 b 塔顶左右位移 图 7 Spar 型漂浮式风力机响应谱 Fig． 7Response spectrum of spar floating wind turbine 综上所述， TMD 控制对 Spar 型漂浮式风力机的塔 顶左右位移能起到良好的控制作用， 但对平台横摇角 的控制作用却不太明显。 3． 2． 3Semi 型漂浮式风力机动态响应 Semi 型漂浮式风力机在 TMD 控制下的动态响应 如图 8 所示， 其中图 8 a 为平台首摇角， 图 8 b 为塔 顶左右位移。 a 平台首摇角 b 塔顶左右位移 图 8 Semi 型漂浮式风力机动态响应时域图 Fig． 8Time history of dynamic response of semi floating wind turbine 如图 8 所示， 在平台首摇方向上， TMD 控制时的平 台首摇角时域响应曲线与无控制时的平台首摇角时域 响应曲线几乎完全重合; 无控制时的平台首摇角标准 711第 21 期黄致谦等 三种漂浮式风力机调谐质量阻尼器稳定性控制研究 ChaoXing 差为0． 118， TMD 控制时的平台首摇角标准差为0． 119， 两者几乎相等; 可见 TMD 的控制作用极其微弱， 甚至 是没有控制效果。在塔顶左右位移方向上， TMD 控制 效果有明显好转， 无控制时的塔顶左右位移标准差为 0． 038 8， TMD 控 制 时 的 塔 顶 左 右 位 移 标 准 差 为 0． 027 8; 即 TMD 控制时， 塔顶左右位移稳定性提升了 28． 46。 图 9 为平台首摇角和塔顶左右位移的响应谱。 a 平台首摇角 b 塔顶左右位移 图 9 Semi 型漂浮式风力机响应谱 Fig． 9Response spectrum of semi floating wind turbine 由图 9 可知， 在平台首摇方向上， TMD 控制时的响 应谱曲线与无控制时的响应谱曲线基本重叠， 也可说 明 TMD 没起到控制作用。在塔顶左右位移方向上， 有 无 TMD 控制的响应谱曲线响应集中在 2． 41 ～ 2． 97 rad/s 范围内; TMD 控制时的响应谱曲线有明显的下 降， 响应谱峰值由 0． 018 8 降低到 0． 008 4。 综上所述， TMD 控制对 Semi 型漂浮式风力机的平 台首摇角几乎没有控制作用， 对塔顶左右位移的控制 作用较为明显。 3． 3TMD 控制时三种漂浮式风力机动态响应对比 分析 图10 和图11 分别为 TMD 控制时三种漂浮式风力 机平台首摇偏转角和塔顶左右位移对比图， 为了更加 直观地体现 TMD 的控制效果， 与图 3 无控制的平台首 摇偏转角和塔顶左右位移进行对比。 如图 10 和图 11 所示， 在平台首摇方向上， TMD 控 制后， Barge 型漂浮式风力机的响应大幅度减小， 与 Spar 型漂浮式风力机的响应接近， 但还是大于 Semi 型 漂浮式风力机的响应; 在塔顶左右位移方向上， TMD 对 Barge 型漂浮式风力机的控制效果依然很好， 响应大幅 减小， 与 Semi 型漂浮式风力机的响应接近， 大于 Spar 型漂浮式风力机的响应。分析其原因， 三种漂浮式风 力机中， Barge 型漂浮式风力机优点是结构简单、 定位 容易、 投资少且受水位影响小， 但由于吃水浅和水线面 面积较大， 导致对波浪砰击作用较敏感， 动态响应最 大， 因此受到的控制作用最大， 控制效果最好。Spar 型 漂浮式风力机主体高径比较大， 可保持稳定性， 动态响 应较 Barge 型漂浮式风力机小， 其受控作用也相对较 小。Semi 型漂浮式风力机甲板空间及甲板载荷可变范 围大、 抗风浪能力强， 动态响应较 Spar 型漂浮式风力机 小， 其受控作用也相对较小。 a 无控制 b TMD 控制 图 10平台首摇偏转角 Fig． 10Yaw angles of plats a 无控制 b TMD 控制 图 11塔顶左右位移 Fig． 11Longitudinal displacements of top of the towers 811振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 4结论 本文选取目前具有代表性的 Barge、 Spar 和 Semi 型 漂浮式风力机， 在机舱中配置 TMD 系统， 考虑漂浮式 风力机实际部署海域的海况， 对比分析了 3 种漂浮式 风力机在风、 浪及流载荷联合作用下的 TMD 稳定性控 制效果， 主要结论如下 1 无 TMD 控制时， 在平台首摇方向上， Barge 平 台响应幅度远大于 Spar 平台和 Semi 平台， Spar 平台响 应幅度略大于 Semi 平台。在塔顶左右位移方向上， Barge 平台响应幅度同样远大于其他两平台， Semi 平台 动态响应大于 Spar 平台。 2 TMD 控制时， Barge 型漂浮式风力机的动态响 应幅度都有所降低， 且有更加优越的波频性能。平台 首摇角和塔顶左右位移的稳定性分别显著提升了 53． 60和 60． 30。 3 TMD 控制时， Spar 型漂浮式风力机的平台的 首摇角减小幅度不明显， 稳定性仅提升了 9． 75; 塔顶 左右位移的控制效果好， 稳定性提升了 29． 79。 4 TMD 控制时， Semi 型漂浮式风力机的平台首 摇角没有控制效果; 塔顶左右位移的 TMD 控制效果有 明显好转， 稳定性提升了 28． 46。 5 TMD 控制时， 在平台首摇方向上， Barge 型漂 浮式风力机的响应大幅度减小， 与 Spar 型漂浮式风力 机的响应接近， 但还是大于 Semi 型漂浮式风力机的响 应; 在塔顶左右位移方向上， Barge 型漂浮式风力机与 Semi 型的响应接近， 大于 Spar 型漂浮式风力机的 响应。 6 Barge 型漂浮式风力机受 TMD 控制的效果最 好， 其次是 Spar 型， Semi 型控制效果最差。 参 考 文 献 ［1］ 丁勤卫， 李春， 叶柯华， 等． 风波流对多平台阵列浮式风机 Spar 平台运动特性的影响［J］ ． 农业工程学报， 2016， 32 21 223- 229． DING Qinwei，LI Chun，YE Kehua，et al． Effect of wind， wave and current on movement characteristics of array of floating wind turbine Spar plat［J］ ． Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE ， 2016， 32 21 223- 229． ［2］ 黄致谦，李春，丁勤卫， 等． 考虑到台风海况浮式风力机 半潜式平台风浪流载荷动态响应及系泊性能分析［ J］ ． 动 力工程学报， 2017， 37 12 1015- 1022． HUANG Zhiqian，LI Chun，DING Qinwei，et al． Dynamic response and mooring perance of a semi- submersible plat for floating wind turbine considering typhoon sea states［ J］ ． Journal of Chinese Society of Power Engineering， 2017， 37 12 1015- 1022． ［3］ 丁勤卫， 李春， 周国龙， 等． 陆海风力机动态响应对比［J］ ． 动力工程学报， 2016， 36 1 65- 73． DING Qinwei，LI Chun，ZHOU Guolong，et al． Comparison of dynamic response between stationary and floating wind turbine［ J］ ． Journal of Chinese Society o